Премия за квантовую запутанность

Проведем мысленный эксперимент. Представьте себе, что у вас есть электрон и позитрон, которые родились из состояния со спином 0 (спин, грубо говоря, это аналог момента количества вращательного движения), так что если спин одного из них смотрит вверх, то у другого — обязательно вниз, и наоборот; и больше про эти частицы вы ничего не знаете. Такое состояние называется спутанным. Теперь представьте, что вы взяли и улетели на Марс с электроном, а позитрон остался на Земле.

Ни про позитрон, ни про электрон нельзя сказать, что у него определенный спин. До того как вы его измерите, никакого конкретного значения спину приписать нельзя.

Представим, что вы измерили на Марсе спин вашего электрона, и он смотрит вверх. Тогда спин позитрона на Земле в тот же момент, без поправки на конечное время распространения сигнала, будет при измерении давать строго «вниз».

Возникает вопрос: каким образом частица, находящаяся на Марсе, «приказала» земной частице принять строго определенное значение, да еще и сделала это со скоростью, превышающей скорость света? Этот вопрос известен как парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена.

Эти переменные и должны были предопределить, с какими спинами разлетятся частицы, еще до того, как мы их разделили, то есть они локальны. В такой трактовке нам только кажется, что частицы не имеют определенных спинов до измерения; на самом же деле они летят с уже «предопределенной» судьбой.

Как бы мы ни интерпретировали квантовую механику, пример с двумя частицами оказывается очень интересным для экспериментальной реализации. Источник когерентного оптического излучения позволяет создать «спаренные» фотоны. Импульсы лазерного излучения можно передать по световодам. Это позволяет создать принципиально «непрослушиваемый» ключ шифрования: пусть вы посылаете вашему товарищу один фотон из пары, образующей запутанное состояние. Тогда если злодеи перехватили ключ, ваш товарищ не получит ничего — что позволяет избежать использования скомпрометированного ключа. Уже из этого видно, что парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена — не чисто академическое развлечение.

Более полувека назад Джон Стюарт Белл предложил эксперимент. Пусть имеется источник, который генерирует спутанные состояния из двух квантов света — фотонов; величина, которую измеряет экспериментатор — поляризация света; она может принимать два значения — правая и левая поляризация (или горизонтальная и вертикальная). Пусть двое субъектов (обычно их называют Алиса и Боб) получают из источника «половинки» спутанных состояний и осуществляют измерения каждый на своей стороне. Тогда можно посчитать разные корреляции между измеренными Алисой и Бобом поляризациями и для этих корреляций можно вывести неравенство, которое будет соблюдаться, если верно описание со скрытыми локальными переменными, но может нарушаться, если верно стандартное квантово-механическое описание.

Лауреаты нынешней Нобелевской премии Ален Аспэ, Джон Клаузер и Антон Цайлингер как раз и прославились экспериментальной проверкой нарушения неравенства типа Белла. Первые эксперименты провел Клаузер в 1972 году. В его опыте пара запутанных фотонов посылалась в противоположных направлениях через систему поляризационных фильтров и затем, в зависимости от ориентации фильтров и поляризации фотонов, они фиксировались или не фиксировались детекторами. Клаузер продемонстрировал, что корреляции больше, чем следовало бы из любой теории со скрытыми локальными переменными, тем самым показав нарушение неравенств Белла.

Но первый опыт Клаузера все же оставлял для локальных переменных «пути обхода», которыми те могли бы повлиять на результаты. В его эксперименте пара связанных фотонов отправлялась «Алисе» и «Бобу» через поляризационные фильтры, конфигурация которых была заранее известна. Тем самым система могла «знать», какое измерение будет осуществляться, и теоретически это могло повлиять на то, какая корреляция будет наблюдаться.

Аспэ улучшил строгость экспериментальной проверки. В опыте Аспэ для каждого фотона при детектировании случайно выбирался один из поляризационных фильтров, причем настолько быстро (за наносекунды), что информация об ориентации фильтра не успела бы дойти до другой части экспериментальной установки. И Аспэ снова подтвердил, что неравенства Белла нарушаются.

Цайлингер придумал рассматривать трехчастичные состояния при обсуждении квантовой запутанности. Кроме того, Цайлингер провел еще более точную проверку нарушения неравенств Белла, одновременно закрыв все оставшиеся «пути обхода». Он добился одновременно того, что детекторы не только не могли «коммуницировать» друг с другом, но даже чтобы их настройки не были причинно-следственно связаны. Так, он использовал свет двух звезд на разных краях Млечного пути, чтобы исключить причинно-следственную связь между детекторами — выбор настроек детектора осуществлялся в зависимости от того, красный или синий фотон пришел из космических глубин.

Следовательно, мир может быть адекватно описан той квантовой механикой, которая изложена в стандартных учебниках.

Запутанные состояния и неравенства Белла — не только предмет размышления об основах квантовой механики и их проверки. Возникший в связи с попытками разрешить, объяснить или опровергнуть мысленный эксперимент Эйнштейна — Подольского — Розена математический аппарат и интерес ученых породили такое направление в физике, как разработка квантовых компьютеров. Квантовый компьютер — это такой компьютер, элементарной структурой в котором является «кубит» — квантовое состояние, которое может принимать не только значения (например, «вверх-вниз»), но может находиться в смешанном состоянии. Целый ряд задач не могут быть решены на обычном компьютере за любое разумное время, однако решаются за конечное время на квантовом компьютере, в первую очень — задача разложения ОЧЕНЬ большого числа на простые множители, что позволяет взламывать шифрованные сообщения. Так удивительным образом недоуменный вопрос Эйнштейна о неполноте локального описания квантовой механики породил целую серию сюжетов о безопасной коммуникации и способах ее взлома.